人体中的矿物

人体矿物及其健康效应是生物矿化作用中的一个极具活力的研究领域。本文首先介绍了与生物矿物和生物矿化作用相关的一些基本概念,并对生物矿物的特点和种属进行了厘定,明确了它们在矿物分类中的位置。在此基础上,对人体内的生物矿物及其产出位置进行了总结,并着重评述了一些重要的人体矿物的特征及其生理性或病理性效应。     

从生物矿化作用衍生出的有机矿化作用：地球生物学框架下重要的研究主题

早期"生物矿化作用"的概念,被定义为生物形成矿物的作用,并进一步分为生物控制和生物诱导两大类型。这个宽泛的概念,被修订为生物以生命活型(living form)影响矿物物质的沉淀作用;相应地,"生物矿物"是在严格的生物控制下、从局部环境中选择性地吸收元素并融合成具有生物功能构造的矿物。"有机矿化作用",则被定义为"与那些无生命活力的有机物质相关联的矿物形成作用"。与生物矿化作用相对应,有机矿化作用的产物被定义为"有机矿物",用来指那些通过有机聚合物、生物的和(或)非生物的有机化合物所导致的矿物沉淀作用,但是,有机矿物并非活着的细胞所直接形成。有机矿物与生物矿物的重要区别是,有机矿物没有被融合成受到生物严格控制的功能性构造。生物学家和化学家将生物矿化作用作为关注"生命体系中复杂的化学过程"的研究主题,超越了地质学范畴并使生物矿化作用的研究成为多学科关注的迷人领域,也大大促进了有机矿化作用的研究;考虑到有机矿物是沉积岩的重要组成,而且与生物的出现同步,还是潜在性的地外生命的遗迹,因此,从生物矿化作用衍生出的有机矿化作用的研究,自然就成为与生物矿化作用存在紧密关联的、地球生物学框架下又一个重要的研究主题     

地球系统中生物成因硫化物矿物:类型、形成机制及其与生命起源的关系

作为生物矿物一种十分重要的类型,生物成因硫化物矿物形成于多种海水和淡水环境中.它们是自然界硫和金属元素循环中的关键一环,并有可能在地球早期生命起源中扮演了重要的角色.现代环境中形成的生物成因硫化物矿物与多种生命过程有着十分密切的联系,微生物和大型生物均可直接或间接地影响生物成因硫化物矿物的形成.重点从生物成因硫化物矿物类型、参与生物矿化的有机体、生物成因硫化物矿物形成机制以及硫化物矿物与生命起源的关系等几个方面综述了生物成因硫化物矿物研究的最新进展.     

《生物矿物学》一书内容简介

戴永定撰写的《生物矿物学》一书于1993年即将由石油工业出版社出版。该书全面系统介绍了《生物矿物学》这一基础分支学科的研究内容。全书共29章。总论部分包括研究概况、生物矿物、生物矿化作用、生物矿物体结构、以及生物矿物体的构造、类型、形态和生物矿物体鉴定共六章。第一章划分生物矿物学发展四个阶段,介绍各类生物矿物和各门类生矿体的研究概况,并指出其发展趋向。第二章叙     

矿物学研究从资源属性到环境属性的发展

资源与环境是地球科学的两大主题,在回顾矿物资源属性的基础上,提出了矿物学环境属性的研究。在矿物形成和变化的过程中,不同时间和空间的环境变化都会在矿物中留下烙印,使得矿物成为记录 环境演变信息的载体。利用矿物能被防止分解的一面,采取相应的措施防止矿物的破坏与分解,就有可能减少甚至避免由于矿物的破坏与分解所造成的对人体健康的影响和生态环境的破坏。类似于有机生物处理方法,利用无机矿物处理污染物的方法,体现了天然自净化作用的特色。天然矿物对污染物的净化功能主要体现在环境矿物材料基本性能方面。 矿物与生物的交互作用研究,是无机界与有机界交叉渗透性研究课题。纳米矿物所表现出的超乎寻常的化学性质是其有效参与纳米生物作用的关键。     

矿物粉尘对人体血清物质的吸附行为研究

通过测定吸附后人体血清的成分,并利用红外光谱研究了几种矿物粉尘对血清中物质的吸附作用,结果表明,矿物粉尘对血清中物质的吸附具有选择性,主要是吸附了血清中的蛋白质和脂类等生物大分子。不同矿物吸附生物大分子的选择性不同,这主要与矿物的结构和表面海性等因素有关。红外光谱研究表明,吸附机理主要是物理吸附,可能也存在化学吸附。另一方面,矿物粉尘在血清中发生了一定程度的阳离子交换和溶解作用。     

生物矿化研究现状和展望

生物矿化过程是指在生物体中细胞的参与下,无机元素从环境中选择性地沉淀在特定的有机质上而形成的新矿物.生物矿化矿物的结晶严格受生物体分泌的有机基质的控制,是在有机基质膜板诱导下的晶体生长.生物体内有机基质指导矿物晶体的成核、生长和聚集,使得生物矿物具有特定的形貌、取向和组装方式,从而产生特殊的功能.生物矿化近年来受到化学、物理、生物以及材料学等多学科的关注.综述了生物矿化的类型、过程、机理及常用的研究方法和研究进展,并作了学科展望.     

微生物矿化成因的铁硫酸盐矿物表面特征初探

研究表明，生物一矿物相互作用是地球表层系统演化的重要地质营力之一。微生物与矿物岩石之间进行着活跃的物质交换，微生物通过营造微观地球化学环境和提供吸附、成核中心影响着矿物的溶解和结晶，其中生物一矿物界面是物质交换和化学反应最为活跃的场所，矿物表界面记录着丰富的微生物作用信息。在综述前人微生物一矿物相互作用界面研究的基础上，利用气体吸附技术，对比分析了微生物矿化成因和无机合成含水铁硫酸盐矿物的表面积、表面分形和表面吸附能特征，初步讨论了微生物矿化成因铁硫酸盐矿物的表面特征和控制机理。     

生物矿物学的发展与展望

概述了生物矿物学的内容和意义;划分了早期启蒙、造骨矿物、生物矿化作用和生物矿物四个发展阶段,介绍了各个阶段的著名代表性文献、生物矿化理论、国际会议、研究方法和研究中心;指出生物矿物学发展趋势由碳酸盐和磷酸盐到氧化物和硫化物,由生物矿物外部特征到内部特征,由高级生矿体到低级生矿体,由动物到植物和微生物,由鉴定结构和矿物到探讨矿化机理和过程。最后提出在分析、成因、结晶、化石、造岩(矿)、生理、医药、环境和材料等方面的生物矿物学发展方向。     

结束语

该专集刊载的研究论文是国家自然科学基金“生物活性矿物纤维表面介体及其活化机理研究”项目的部分成果。项目从探讨天然纤维材料的表面化学活性———生物活化———生物持久性———生物毒性———环境安全性出发 ,寻求工业矿物、环境医学、材料价值的联合评估。这本论文集反应了这一研究的主要成果 ,及时发表这些研究成果 ,无疑对推动我国环境矿物学和环境医学的发展以及缩小国内该领域的研究与国际前沿的差距是非常有益的。本专集比较集中地反映了基金项目在矿物纤维粉尘表面官能团、矿物粉尘溶盐处理与改型、矿物粉尘的生物持久性 (体…     

生物药剂在金矿浮选中的试验探索

生物技术在选矿领域的应用越来越受到人们的重视,而生物药剂浮选技术还处于不断探索研究阶段。本文通过试验研究重点筛选出可生物降解的化学药剂H-3作为生物药剂应用于金矿浮选中。当H-3加工处理产物H-3-2用量为10×10~(-6)/5×10~(-6)时,粗精矿的回收率可以达到95.19%,尾矿品位为w(Au)=0.14×10~(-6)。与单一使用丁黄药和单一使用丁胺黑药相比,粗精矿回收率提高了2%～3%,尾矿品位降低了0.04×10~(-6)～0.09×10~(-6)。其用量仅是丁黄药和丁胺黑药用量的十分之一,降低了化学药剂的用量,且无毒无污染,可以生物降解,基本达到了预期目标。     

生物过程中的铁同位素地球化学行为及应用

铁是生物必需的营养元素,并且生物圈与岩石圈、水圈、大气圈密切联系。因此,了解生物过程的铁同位素地球化学行为,对于示踪铁元素在生物圈内部体系的迁移和循环,以及运用铁同位素示踪生物圈和岩石圈、水圈之间的相互作用都具有重要意义。本文对不同生物体的铁同位素组成特征以及不同生物过程的铁同位素地球化学行为进行了总结。结果表明,生物倾向于优先吸收铁的轻同位素,而且在食物链中随着级别的升高,这种情况越明显。生物诱发过程(包括异化铁还原作用和细菌氧化作用)中,铁只是提供或接受电子,并没有真正进入生物细胞体内,这些过程所产生的铁同位素分馏值和无生物参与氧化还原过程产生的铁同位素分馏值相同。生物(包括微生物、植物、动物和人)吸收过程中,铁进入生物体细胞内,这些过程的铁同位素分馏主要受氧化还原作用所控制。铁同位素在生物学、医学等领域具有很大的应用潜力,有可能会成为这些领域新的示踪工具。     

海水化学演化对生物矿化的影响综述

显生宙非骨屑碳酸盐矿物经历了文石海和方解石海的交替,主要造礁生物和沉积物生产者的骨骼矿物与非骨屑碳酸盐矿物具有同步变化的趋势。这种长期的变化趋势可以用海水化学Mg/Ca摩尔比的变化来解释。流体包裹体、同位素和微量元素等证据也证实了海水化学在地质历史中经历过剧烈的变化。虽然生物诱导矿化和生物控制矿化的相对重要性一直存在争议,但古生物地层记录和人工海水养殖实验结果都表明,海水化学演化对生物矿化有重要的影响,体现在造礁生物群落的兴衰、生物起源时对骨骼矿物类型的选择以及微生物碳酸盐岩在地质历史中的分布等。这些为研究前寒武纪海水化学演化、古气候和古环境的重建、同位素地层对比以及碳酸盐的沉积和成岩等问题提供了新的思路。     

环境与生命矿物学的科学内涵与研究方法

环境与生命矿物学是矿物学、环境科学与生命科学之间的交叉学科,是成因矿物学在生命领域的拓展和延伸,是地球系统科学的重要组成部分。生命起源的矿物表征和矿物作用;极端环境下的生物多样性及生物与矿物的关系;生物体的矿物组成、作用、宏微观形貌和自组装结构;生命矿物成核、生长和自组装过程的有机质调控及其响应环境变化的标型特征;生物矿化的过程、机理及其资源环境效应;矿物(含药用矿物)在生命活动中的作用、过程与机理及其开发利用,是环境与生命矿物学的主要研究内容。生命矿物有其自身的特点,选择用于环境及其变迁研究的生命矿物时,应遵循"贯通性"、"灵敏性"、"统计性"和"周期性"等四原则。根据生命矿物进行环境分析研究时,要注意甄别影响矿物学特征变化的环境要素;既要善于利用较便捷成熟的成因矿物学研究手段和方法(如热发光,简称TL),还要充分利用其他学科中的技术(如计算体层摄影术,简称CT),创造性地开发生命矿物学的环境标型。     

层孔虫研究进展与展望

层孔虫(stromatoporoid)一词由德国地质学家Goldfuss在1826年创立,因其表面呈纹层状而得名。层孔虫属于海绵动物,是一类营群体生活的海洋底栖固着生物,形态多样,大小从几厘米至数米不等,通常生活在温暖、清澈、盐度正常和光照条件好的浅海中,常与珊瑚、藻类共生而形成生物礁,是重要的造礁生物之一。层孔虫起源于早奥陶世,繁盛于泥盆纪,进入石炭纪基本消失,但在晚三叠世复又出现,并于晚侏罗世得到进一步发展,最终在早白垩世末彻底灭绝。本文在回顾总结了层孔虫研究历史与研究现状,指出层孔虫的研究历史大体经历了零星研究阶段(1826—1950年)、系统研究阶段(1951—1971年)和集成创新阶段(1972年至今),主要介绍了层孔虫的形态与构造、系统分类、起源与演化、生物间的共生关系和层孔虫在古环境重建中的应用,在此基础上提出了目前层孔虫研究中存在的3个主要问题: 缺少明确、完善且统一的生物分类方案;起源的时代存在争议,演化过程中存在奇怪的“间断”现象,早石炭世至晚三叠世的地层中未见相关化石记录;与各种共生生物之间的关系不甚清楚。层孔虫在古生物学的研究中是不可缺少的一个门类,它的各种形态、习性特征在恢复古地理、重建古环境的过程中具有重要意义。     

有机宝石材料Corallium elatius的多级结构构建

以重要的宝石级红珊瑚品种Corallium elatius为研究对象,采用偏光显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等测试手段,逐级还原了Corallium elatius样品从宏观到纳米的多级结构构建：有缺陷但具有一定定向性的纳米筹组成了亚微米单元;亚微米单元按一定方向排列形成了骨针单元;骨针单元的组合形成了片状单元;定向性近乎一致的片状单元沿界线（有机质）排列成了明暗相间的人字纹单元;人字纹单元以髓部为中心依次排列形成了Corallium elatius样品横截面的放射状纹理。每一级结构由更小尺度的结构单元组成,同时,多个同尺度单元又排列形成上一级结构。在这种多级嵌套结构中,每一级的结构单元具有几乎一致的定向性。随着结构单元尺度的细化,结构单元的定向程度降低。从生物矿物学角度探讨了不同尺度方解石模块的自组装模式,揭示了样品在有机质调控下的特殊结构,为后续的研究提供了方向。     

Mollusc and brachiopod skeletal hard parts: Intricate archives of their marine environment

The biogenic carbonate hard parts of fossil bivalves, cephalopods and brachiopods are among the most widely exploited marine archives of Phanerozoic environmental and climate dynamics research. The advent of novel analytical tools has led many workers to explore non‐traditional geochemical and petrographic proxies, and work performed in neighbouring disciplines sheds light on the complex biomineralization strategies applied by these organisms. These considerations form a strong motivation to review the potential and problems related to the compilation and interpretation of proxy data from bivalve, cephalopod and brachiopod hard parts from the viewpoint of the sedimentologist and palaeoceanographer. Specific focus is on the complex biomineralization pathways of a given dissolved ion or food particle from its aquatic environment via the digestion and biomineralization apparatus in molluscs and brachiopods and its incorporation into a biomineral. Given that molluscs and brachiopods do not secrete their hard parts from seawater but rather from their mantle and periostracum, this paper evaluates differences and similarities of seawater versus that of body fluids. Cephalopods, bivalves and brachiopods exert a strong biological control on biomineralization that, to some degree, may buffer their shell geochemistry against secular changes in seawater chemistry. Disordered (amorphous) calcium carbonate precursor phases, later transformed to crystalline biominerals, may be significant in carbonate archive research due to expected geochemical offset relative to the direct precipitation of stable phases. A reasonable level of understanding of the related mechanisms is thus crucial for those who use these skeletal hard parts as archives of the palaeo‐environment. The impact of what is commonly referred to as ‘biological factors’ on the geochemistry of mollusc and brachiopod hard parts is explored for conventional isotope systems such as carbon, oxygen, strontium and traditionally used element to calcium ratios. In particular, the often used δ¹³C_carb or the Mg/Ca and Sr/Ca elemental proxies are fraught with problems. An interesting new research field represents the analysis, calibration and application of non‐traditional proxies to mollusc and brachiopod hard parts. Examples include the carbonate clumped isotope (Δ₄₇) approach and the analysis of the isotopes of Ca, Mg, N, Li, S or element to Ca ratios such as Li/Ca or B/Ca and rare earth elements. Based on considerations discussed here, a series of “do's and don'ts” in mollusc and brachiopod archive research are proposed and suggestions for future work are presented. In essence, the suggestions proposed here include experimental work (also field experiments) making use of recent archive organisms or, where possible, a reasonable recent analogue in the case of extinct groups. Moreover, the detailed understanding of the architecture of mollusc and brachiopod hard parts and their ultra‐structures must guide sampling strategies for geochemical analyses. Where feasible, a detailed understanding of the diagenetic pathways and the application of multi‐proxy and multi‐archive approaches should form the foundation of fossil carbonate archive research. The uncritical compilation of large data sets from various carbonate‐shelled organisms collected at different locations is not encouraged.     

鱼耳石的成因矿物学属性:环境标型及其研究新方法

鱼耳石是鱼类头骨两侧的组织器官，是典型生命矿物文石的载体，发育明显的环带结构。其环带数和韵律层厚度反映鱼龄和鱼体生长速率；其δ^8O值能指示水体温度。利用环带的几何学特征、颜色、常量和微量元素特征与氧同位素和碳同位素组成结合，可有效地鉴别鱼的种群结构，追索鱼的源区、迁移习性、营养水平，记录水体环境的变迁，预测未来水体环境变化趋势，指导渔业生产战略布局。本文首次开发的鱼耳石之文石纳米形貌和热发光参数，可有效地指示相应水体的环境特征，用于进行不同来源区的判别和鱼类资源管理。